p Um novo estudo de engenheiros do MIT, Caltech, e ETH Zürich mostra que materiais "nanoarquitectados" - materiais projetados a partir de estruturas em nanoescala precisamente padronizadas - podem ser uma rota promissora para armaduras leves, Revestimentos protectores, escudos de explosão, e outros materiais resistentes ao impacto. p Os pesquisadores fabricaram um material ultraleve feito de escoras de carbono em escala nanométrica que conferem resistência ao material e robustez mecânica. A equipe testou a resiliência do material disparando micropartículas em velocidades supersônicas, e descobri que o material, que é mais fino do que a largura de um cabelo humano, evitou que os projéteis em miniatura o rasgassem.

p Os pesquisadores calculam que, em comparação com o aço, Kevlar, alumínio, e outros materiais resistentes ao impacto de peso comparável, o novo material é mais eficiente na absorção de impactos.

p "A mesma quantidade de massa de nosso material seria muito mais eficiente para parar um projétil do que a mesma quantidade de massa de Kevlar, "diz o principal autor do estudo, Carlos Portela, professor assistente de engenharia mecânica no MIT.

p Se produzido em grande escala, este e outros materiais nanoarquitetados podem ser potencialmente projetados como mais leves, alternativas mais resistentes ao Kevlar e ao aço.

p "O conhecimento deste trabalho ... pode fornecer princípios de design para materiais ultraleves resistentes ao impacto [para uso em] materiais de blindagem eficientes, Revestimentos protectores, e escudos resistentes a explosões desejáveis ​​em aplicações de defesa e espaciais, "diz a coautora Julia R. Greer, um professor de ciência dos materiais, mecânica, e engenharia médica na Caltech, cujo laboratório conduziu a fabricação do material.

p O time, que relata seus resultados hoje na revista Materiais da Natureza , inclui David Veysset, Yuchen Sun, e Keith A. Nelson, do Instituto de Nanotecnologias de Soldados e do Departamento de Química do MIT, e Dennis M. Kochmann da ETH Zürich.

p De quebradiço a flexível

p Um material nanoarquitectado consiste em estruturas padronizadas em escala nanométrica que, dependendo de como eles estão organizados, pode dar aos materiais propriedades únicas, como leveza e resiliência excepcionais. Como tal, materiais nanoarquitectados são vistos como potencialmente mais leves, materiais mais resistentes ao impacto. Mas esse potencial ainda não foi testado.

p "Só sabemos sobre a resposta deles em um regime de deformação lenta, Considerando que muito de seu uso prático é hipotetizado em aplicações do mundo real, onde nada se deforma lentamente, "Diz Portela.

p A equipe começou a estudar materiais nanoarquitectados sob condições de deformação rápida, como durante impactos de alta velocidade. Na Caltech, eles primeiro fabricaram um material nanoarquitectado usando litografia de dois fótons, uma técnica que usa um rápido, laser de alta potência para solidificar estruturas microscópicas em uma resina fotossensível. Os pesquisadores construíram um padrão de repetição conhecido como tetrakaidecaedro - uma configuração de rede composta de suportes microscópicos.

p "Historicamente, essa geometria aparece em espumas de mitigação de energia, "diz Portela, que escolheu replicar esta arquitetura semelhante a espuma em um material de carbono em nanoescala, para transmitir uma flexibilidade, propriedade de absorção de impacto para o material normalmente rígido. "Embora o carbono seja normalmente frágil, o arranjo e os pequenos tamanhos das escoras no material nanoarquitectado dá origem a uma borracha, arquitetura dominada por dobras. "

p Depois de padronizar a estrutura da rede, os pesquisadores lavaram a resina restante e a colocaram em um forno a vácuo de alta temperatura para converter o polímero em carbono, deixando para trás um ultraleve, material de carbono nanoarquitectado.

p Mais rápido que a velocidade do som

p Para testar a resiliência do material à deformação extrema, a equipe realizou experimentos de impacto de micropartículas no MIT usando testes de impacto de partículas induzidos por laser. A técnica visa um laser ultrarrápido através de uma lâmina de vidro revestida com uma fina película de ouro, que por sua vez é revestido com uma camada de micropartículas - neste caso, Partículas de óxido de silício de 14 mícrons de largura. Conforme o laser passa pelo slide, ele gera um plasma, ou uma rápida expansão do gás do ouro, que empurra as partículas de óxido de silício na direção do laser. Isso faz com que as micropartículas acelerem rapidamente em direção ao alvo.

p Os pesquisadores podem ajustar a potência do laser para controlar a velocidade dos projéteis de micropartículas. Em seus experimentos, eles exploraram uma gama de velocidades de micropartículas, de 40 a 1, 100 metros por segundo, bem dentro da faixa supersônica.

p "Supersônico é qualquer coisa acima de aproximadamente 340 metros por segundo, que é a velocidade do som no ar ao nível do mar, "Diz Portela." Então, alguns experimentos alcançaram o dobro da velocidade do som, facilmente."

p Usando uma câmera de alta velocidade, eles capturaram vídeos das micropartículas causando impacto com o material nanoarquitetado. Eles haviam fabricado material de duas densidades diferentes - o material menos denso tinha escoras ligeiramente mais finas que o outro. Quando eles compararam a resposta ao impacto de ambos os materiais, eles descobriram que o mais denso era mais resistente, e as micropartículas tendiam a incorporar-se ao material em vez de rasgar diretamente.

p Para ver mais de perto, os pesquisadores cortaram cuidadosamente as micropartículas incorporadas e os materiais, e encontrados na região logo abaixo de uma partícula embutida, as escoras e feixes microscópicos amassaram e compactaram em resposta ao impacto, mas a arquitetura circundante permaneceu intacta.

p "Mostramos que o material pode absorver muita energia por causa desse mecanismo de compactação de choque das escoras em nanoescala, versus algo que é totalmente denso e monolítico, não nanoarquitetado, "Diz Portela.

p Interessantemente, a equipe descobriu que poderia prever o tipo de dano que o material suportaria usando uma estrutura de análise dimensional para caracterizar os impactos planetários. Usando um princípio conhecido como teorema de Buckingham-Π, esta análise leva em conta várias quantidades físicas, como a velocidade de um meteoro e a força do material da superfície de um planeta, para calcular uma "eficiência de cratera, "ou a probabilidade e extensão na qual um meteoro escavará um material.

p Quando a equipe adaptou a equação às propriedades físicas de seu filme nanoarquitetado e ao tamanho e velocidades das micropartículas, eles descobriram que a estrutura poderia prever o tipo de impacto que seus dados experimentais mostraram.

p Daqui para frente, Portela diz que a estrutura pode ser usada para prever a resiliência ao impacto de outros materiais nanoarquitectados. Ele planeja explorar várias configurações nanoestruturadas, bem como outros materiais além do carbono, e maneiras de aumentar sua produção - tudo com o objetivo de um design mais resistente, materiais de proteção mais leves.

p "Os materiais nanoarquitectados são realmente promissores como materiais de mitigação de impacto, "Diz Portela." Há muito que não sabemos sobre eles ainda, e estamos iniciando esse caminho para responder a essas perguntas e abrir a porta para suas aplicações generalizadas. "